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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Rückhaltesystem zum Zurückhalten
eines geborstenen Laufrads oder von Laufradbruchstücken und
insbesondere ein Laufrad-Rückhaltesystem,
welches kooperierend ein Einhakelement und einen Fänger verwendet,
um die Tangentialbewegung eines geborstenen Laufrads oder von Laufradbruchstücken zurückzuhalten.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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Von
Flugzeugtriebwerken und Hilfsleistungsaggregaten (APU – auxiliary
power unit) ist bekannt, dass sie Turbinen und Verdichter aufweisen,
die um eine zentrale Welle mit hohen Drehzahlen rotieren. Obwohl
moderne Gasturbinenmaschinen und APUs über Tausende von Stunden ohne
signifikante Fehlfunktion arbeiten können, haben sich Umstände ergeben,
in denen Laufradnaben oder Turbinennaben in zwei oder mehrere Bruchstücke brechen
können, die
sich von der rotierenden Trägerstruktur
trennen. Generell ist es, wenn es zu einem solchen Bersten kommt, äußerst wünschenswert,
derartige Nabenbruchstücke
der geborstenen Scheibe innerhalb des kürzest möglichen Radius zurückzuhalten.
Auf diese Weise kann der Materialquerschnitt, der erforderlich ist,
um die erforderliche Scher- und Umfangsfestigkeit zum Zurückhalten
des Berstens minimiert sein, um Gewicht zu reduzieren, und dabei
dennoch einen ausreichenden Sicherheitsfaktor zum Schutz der Maschine
und des Flugzeugsystems und der Flugzeugstruktur beibehalten.
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Es
ist auch wünschenswert,
das Bersten innerhalb der kürzesten
erreichbaren axialen Länge zurückzuhalten,
so dass der Bereich von Flugbahnen der gebor stenen Bruchstücke, die
sich aus einem Bersten ergeben, minimal ist. Im Stand der Technik wurden
in der Praxis die Laufradnabenbruchstücke zurückgehalten, indem Laufradkränze, Diffusoren und
die äußeren Maschinengehäuse als
die primären Rückhaltestrukturen
verwendet wurden. Jedoch haben die konventionellen Laufradkränze und
Diffusoren des Stands der Technik manchmal dabei versagt, das Nabenbersten
innerhalb ausreichend kleiner axialer und radialer Strecken zurückzuhalten.
Beim konventionellen Stand der Technik waren diese Rückhaltestrukturen
tendenziell von dem jeweiligen Ursprung des Berstens entfernt. Folglich
waren diese Rückhaltestrukturen
axial lang und radial dick, um den erwarteten Bereich der Flugbahnen
der geborstenen Fragmente zu überspannen,
so dass deren Querschnitte massiv, verglichen zu der benachbarten
normalen Maschinenstruktur, waren. Tests haben gezeigt, dass diese
Strukturen hinsichtlich ihres Gewichts ineffizient sein können.
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Ein
unerwünschtes
Merkmal dieser Strukturen ist, dass die geborstenen Bruchstücke generell frei
sind, bis sie die äußere Struktur
der Maschine erreichten, wobei zu diesem Zeitpunkt die Bruchstücke ungünstig für ein effizientes
Zurückhalten
ausgerichtet sein können,
nachdem sie aus der ursprünglichen Rotationsebene
gelenkt wurden, sowohl durch eine Zwischenstruktur als auch durch
die Art des Abbrechens der Scheibe, da jeder Versagensfall unterschiedlich
sein kann.
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Beispiele
von Rückhaltestrukturen
des Stands der Technik sind in CH-A-676 737 und US-A-5 618 162 gezeigt.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Rückhaltestruktur
bereitzustellen, welche geborstene Nabenbruchstücke innerhalb des kürzesten
möglichen
Radius und des kürzesten
möglichen axialen
Abstands von dem Punkt des Berstens zurückhält.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Laufradrückhaltesystem
bereitzustellen, welches Maschinenbauteile gegen Drei-Naben-Bersten
(tri-hub burst) schützt,
wie das beschrieben werden wird, aber das ausgelegt ist, um zusätzliches
Material und somit zusätzliches
Gewicht zu einer Maschine zu minimieren.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Laufradrückhaltesystem
bereitzustellen, bei dem das Laufrad selbst Teil des Rückhaltesystems
bildet, um so den Weg der Laufradbruchstücke während eines Laufradberstens
zu minimieren.
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Die
vorliegende Erfindung liefert eine Rückhaltevorrichtung gemäß Anspruch
1.
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Es
ist somit ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, ein Rückhaltesystem
zum Zurückhalten von
Bruchstücken
eines rotierenden Laufrads bereitzustellen, die sich von einem geborstenen
Laufrad in einem Gehäuse
ergeben, wobei das Laufrad eine ringförmige Laufradnabe, welche die
Laufradschaufeln an der Nabe anbringt, wobei die Nabe einen ringförmigen zurückgesetzten
Bereich aufweist, und eine die Laufradnabe umgebenden umgebende
Rückhalteeinrichtung
aufweist, wobei die Rückhalteeinrichtung
einen Fänger
zum Fangen eines geborstenen Bereichs der Nabe aufweist durch Zusammenwirken mit
dem ringförmigen
zurückgesetzten
Bereich der Nabe.
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Es
ist ein bevorzugtes Merkmal der Erfindung, ein Rückhaltesystem bereitzustellen,
bei dem ein Bereich der Laufradnabe mit einer konkaven Ausnehmung
gebildet ist, um ein "Einhakelement" zu bilden, und ein
Bereich der Kranz-Rückseitenplatte strömungsabwärts der
Laufradnabe mit einem konvexen Flansch gebildet ist, um einen "Fänger" zu bilden. Das Laufradeinhakelement
ist so ausgelegt, dass es während
eines Laufradberstens mit dem Kranz-Rückseitenplatten-Fänger zusammenwirkt. Weil
der Schwerpunkt des Laufrads axial von dem Schwerpunkt des Schaufelspitzenkranzes
versetzt ist, wird ein geborstenes Laufradbruchstück tendenziell
nach hinten wandern und tendenziell den Kranz nach vorne drücken. Da
die Nut an den Laufradnabenbereich komplementär in in den Flansch an der Rückseite
des Kranzes passt, wird das Laufrad von dem Flanschbereich des Rückseitenplatten-Kranzes eingehakt
und gehindert, sich weiter radial nach außen oder in Längsrichtung
nach hinten zu bewegen. Die Nabe ist auch gehindert, sich mehr als
ein paar Inch von dem Punkt des Berstens zu bewegen.
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Es
ist ein weiteres bevorzugtes Merkmal der vorliegenden Erfindung,
einen Diffusor bereitzustellen, der angeordnet ist, als eine komplementäre Rückhaltestruktur
zum Zurückhalten
von geborstenen Laufradbruchstücken
zu dienen. Der Diffusor der vorliegenden Erfindung ist ein umfangsmäßiger Ring, der
radial außerhalb
der Spitzen der Laufradschaufeln angeordnet ist. Der Diffusor ist
so bemessen, dass er eine Struktur für irgendwelche Laufradbruchstücke, welche
sich in der Richtung tangential nach außen zwischen dem gekrümmten Kranz
und der Kranz-Rückseitenplatte
bewegen, aufweisen wird. Der Diffusor ist auch mit einer Nut ausgelegt,
die eine Exkursion des gekrümmten
Kranzes nach außen
fangen wird, welche sich aus dem hoch energetischen Stoß des Nabenberstens
ergibt.
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Die
Erfindung kann auf irgendeine mit hoher Drehzahl rotierende Einheit
angewendet werden, bei der Sicherheits- und Gewichtseffizienz von
Bedeutung sind, beispielsweise Pumpen, Verdichter, Gebläse, etc.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezugnahme auf die begleitenden
Zeichnungen geschildert, für
die gilt:
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1 zeigt eine Schnittansicht
einer APU, aufweisend ein Rückhaltesystem
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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2 zeigt eine isolierte Schnittansicht
eines Rückhaltesystems
gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 offenbart generell eine
Schnittansicht eines Verdichterabschnitts einer APU 10,
wie sie in einem Flugzeug verwendet wird. APUs werden generell verwendet
zum Antreiben des Hydrauliksystems, des Stromsystems und des Umgebungsregelungssystems
eines Flugzeugs und arbeiten als eine sekundäre Leistungsquelle separat
von den primären Antriebstriebswerken
eines Flugzeugs.
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Der
Verdichterabschnitt der APU 10 der vorliegenden Erfindung
weist ein Gehäuse 12 und
eine zentrale Antriebswelle 20 auf, die um eine Längsachse
rotiert. Wie in 1 gezeigt,
weist der Verdichterabschnitt eine zentrifugale Laufradnabe 20 und
zugehörige
Laufradschaufeln 30 auf, die integral mit den Laufradnaben
verbunden sind. Das Laufrad umgibt ein Kranz 32. Der in
Längsrichtung
strömungsaufwärtige Bereich
des Kranzes 32 ist ein gekrümmter Kranz 33, während der
strömungsabwärtige Bereich eine
Kranz-Rückseitenplatte 34 aufweist.
Die inneren Bereiche der Kranz-Platte sind ausgelegt, dass sie die
radiale Bewegung der Laufradnaben im Falle eines Laufradberstens
beschränken.
Sie sind auch ausgelegt, die Exzentrizität der Nabe zu kontrollieren,
wenn sich eine oben mehrere Schaufeln von der Nabe lösen. Der
Betrieb dieser Flansche beim Zurückhalten
eines Laufradnabenberstens wird vollständiger mit Bezugnahme auf 2 beschrieben.
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2 zeigt die Laufradanordnung
und das Rückhaltesystem
gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die Laufradanordnung ist aus der Laufradantriebswelle 20,
einer ringförmigen
Laufradnabe 22, die an der Antriebswelle 20 angebracht
ist, und einer ringförmigen
Anordnung von Laufradschaufeln 20 gebildet, die integral mit
der ringförmigen
Laufradnabe 22 verbunden sind. Die Laufradanordnung umgibt
eine Laufrad-Kranzanordnung, die generell bei 32 gezeigt
ist. Die Laufrad-Kranzanordnung 32 weist einen gekrümmten Laufrad-Kranzbereich 33 und
einen Kranz-Rückseitenplattenbereich 34 auf.
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An
der strömungsabwärtigen Seite
der Nabe befindet sich ein Einhakflansch 52 und eine benachbarte
Einhaknut 50. An dem inneren Radius der Kranz-Rückseitenplatte 34 befindet
sich ein Fängerflansch 60 und
eine Fängernut 62.
Diese Elemente sind in enger Nähe
zueinander sowohl radial als auch axial positioniert, so dass sie
während
eines Rückhalteereignisses
ineinander greifen. Somit wird die Nut 50 in den Flansch 60 gleiten,
und der Flansch 52 wird in die Nut 62 gleiten.
Diese Elemente sind bei einem generellen Radius von der Mittellinie
positioniert, der relativ zu dem gesamten Laufraddurchmesser klein ist.
Die Querschnittsflächen
der Flansche 52 und 60 und deren entsprechende
Abstützstrukturen
sind so ausgelegt, dass sie ausreichend sind und in Übereinstimmung
mit deren Materialfestigkeiten und der kinetischen Energie des Laufrads.
Die Einhaknut und der Einhakflansch sind als generell konkav bzw.
konvex gezeigt. Jedoch sind diese Strukturen nicht auf die exakten
Formen beschränkt,
wie sie im Schnitt in 2 gezeigt
sind, und sie können
andere Formen annehmen, die der Druchschnittsfachmann versteht. Beispielsweise
können
der jeweilige Flansch und die jeweilige Nut generell im Schnitt
keilförmig
sein.
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An
dem oberen Ende der Kranz-Rückseitenplatte 34 ist
eine integrale Verbindung mit dem Diffusor hergestellt, generell
mit 70 gezeigt. Der Diffusor 70 ist radial außerhalb
des Laufradumfangs positioniert und weist eine Nut 71 auf,
die in 1 dem Diffusorströmungsauslass 73 benachbart
ist. Die Nut 71 ist mit einem Bajonettflansch 72 zusammengepasst, der
an dem äußeren Bereich
des Kranzes 32 positioniert ist. Der Diffusor ist in Position
durch ein Verbindungselement 76 abgestützt, welches in 1 am besten gezeigt ist.
Ein verschraubter Flansch 74 bringt das Backup-Bajonett 72 an
dem Verbindungselement 76 an.
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Der
Betrieb des Laufradrückhaltesystems
ist folgendermaßen.
Im Falle eines Laufradnabenversagens wird die Laufradnabe tendenziell
weg von ihrer zugehörigen
Antriebswelle in einer Richtung nach hinten und radial nach außen bersten.
Während
dieser Bewegung werden die Einhaknut 50 und der Einhakflansch 52 von
der komplementären
Fängernut 62 und
dem komplementären
Fängerflansch 70 gefangen.
Wegen der komplementären
Formen dieser Strukturen werden die geborstenen Laufradbruchstücke tendenziell
von dem Fängerflansch
und der Fängernut
gefangen und zurückgehalten.
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Die
enge Nähe
der Vorrichtungen zu den Bruchstücken
ist beabsichtigt, um deren Translationsbewegung sofort zu begrenzen
und deren Rotationsbewegung zu verlängern. Indem das erfolgt, wird das
gesamte Volumen der Rückhaltestruktur
beim Ablauf des Zurückhaltens
genutzt, während
bei Anwendungen, bei denen die Rückhaltestruktur
von der entsprechenden Nabe entfernt ist, der translatorische Aufprall
an lokalisierten Bereichen der Struktur erfolgt, so dass die Struktur
ungleichmäßig belastet wird
und das Material weniger effizient genutzt wird.
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Ein
weiterer Schutz ist für
das Laufrad und die Nabe durch den inneren Bereich 71 des
Diffusors vorgesehen, welcher einen zurückgesetzten Nutbereich an seinem
inneren Ende aufweist. Der zurückgesetzte
Nutbereich 71 wechselwirkt mit einem Bajonettflansch 72 an
dem Kranz 32 während
des Ablaufs des Zurückhaltens.
Durch diese Anordnung ist jegliche Bewegung radial nach außen des
gekrümmten Laufrad-Kranzbereichs 33 des
Kranzes 32 durch den inneren Bereich des Diffusors behindert.
Das dient als eine Sicherheitseinrichtung in dem Fall, dass der Kranzbereich 33 auch
als Folge der während
eines Laufradberstens erfahrenen hohen Kräfte versagt.
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Generell
sind die rotierenden Verdichter- und Turbinenscheiben in Gasturbinenmaschinen
durch deren Ermüdungsfestigkeit
eingeschränkt.
Folglich sind deren Berstgeschwindigkeiten beträchtlich höher als die Betriebsgeschwindigkeiten.
Für einen, Rückhaltetest
ist es erforderlich, die Scheibe bei ihrer maximalen Betriebsdrehzahl
bersten zu lassen, so dass die Testscheibe künstlich geschwächt werden muss,
um das zu erzielen.
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Wenn
eine Scheibe birst, erhalten die Bruchstücke praktisch die gesamte ursprüngliche
Rotationsenergie der Scheibe. Jedes Bruchstück hat nun zwei Energiekomponenten:
eine rotationsmäßige Komponente
und eine translatorische Komponente. Es ist die translatorische
Komponente, die den meisten Schaden anrichten kann. In der Praxis
wird eine Scheibe von einem einzigen Versagensursprung ausgehend
brechen, häufig
von einer Fehlerstelle in der Bohrung, wo die Belastung häufig maximal
ist. Der exakte Bruchmodus ist un vorhersagbar und kann zu Bruchstücken unterschiedlicher
Größen und Formen
führen.
Die theoretische Konfiguration, welche den maximalen Anteil an translatorischer
Energie erzeugt und somit die gefährlichste Konfiguration ist,
ist ein Versagen, welches drei gleich Abschnitte erzeugt. Deshalb
ist üblicherweise
dieser Modus für das
Testen vorgeschrieben, und er ist bekannt als "Drei-Naben-Versagen". Für
Testzwecke wird das "Drei-Naben-Versagen" üblicherweise erreicht, indem
drei gleichmäßig beabstandete
Schlitze in die Nabe geschnitten werden, um sie so bis an den Punkt
zu geschwächt
wird, bei dem sie bei der oder unwesentlich über der maximalen Betriebsdrehzahl birst.
Der Drei-Naben-Versagensmodus wurde ein Standard für das Testen,
jedoch brechen Scheiben in der Praxis nicht notwendigerweise auf
diese Weise.
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Das
Rückhaltesystem,
wie es in den 1 und 2 gezeigt ist, wird vorzugsweise
in einer APU-Maschine verwendet, obwohl das System, wie es in dieser
bevorzugten Ausführungsform
gezeigt ist, in anderen Typen von Maschinen, beispielsweise Pumpen,
Bläsern,
etc., verwendet werden kann, die einen Zentrifugalverdichter oder
eine Zentrifugalturbine aufweisen. Andere Anwendungen dieses Laufrad-Rückhaltesystems,
beispielsweise in Leistungsgeneratoren, die bei Landfahrzeugen verwendet
werden, oder in Motoren, die bei anderen als luftfahrttechnischen
Anwendungen verwendet werden, werden als in dem Umfang der vorliegenden
Erfindung angesehen. Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist auf ein Laufrad-Rückhaltesystem
gerichtet, und es ist nicht beabsichtigt, sie auf spezielle Anwendungen
bei speziellen Fahrzeugen oder speziellen Arten von Maschinen zu
beschränken.
Andere Anwendungen, wie sie der Fachmann erkennen wird, werden als
in dem Umfang der vorliegenden Erfindung liegend angesehen.
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Nachdem
die bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, kann
eine weitere Anpassung des Rückhaltesystems
durch geeignete Modifikationen durch den Fachmann vorgenommen werden,
ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.